造轮子利器：AST与前端编译

发表于 1年以前 | 总阅读数：468 次

简介

在计算机科学中，抽象语法树是源代码语法结构的一种抽象表示。它以树状的形式表现编程语言的语法结构，树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。之所以说语法是“抽象”的，是因为这里的语法并不会表示出真实语法中出现的每个细节。

——维基百科

在前端基建中，ast可以说是必不可少的。对ast进行操作，其实就相当于对源代码进行操作。

ast的应用包括：

开发辅助：eslint、prettier、ts检查
代码变更：压缩、混淆、css modules
代码转换：jsx、vue、ts转换为js

ast的生成

通过词法分析和语法分析，可以得出一颗ast。

词法分析

词法分析的过程是将代码喂给有限状态机，结果是将代码单词转换为令牌（token），一个token包含的信息包括其的种类、属性值等。

例如将 const a = 1 + 1 转换为token的话，结果大概如下

[
  {type: 关键字, value: const}, 
  {type: 标识符, value: a},
  {type: 赋值操作符, value: =},
  {type: 常数, value: 1},
  {type: 运算符, value: +}, 
  {type: 常数, value: 1},
]

2 . 语法分析

面对一串代码，先通过词法分析，获得第一个token，为其建立一个ast节点，此时的ast节点的属性以及子节点都不完整。

为了补充这些缺少的部分，接下来移动到下一个单词，生成token，并且将其转换成子节点，添加进现有的ast中，然后重复这个移动&生成的递归的过程。

让我们来看看const a = 1是怎么变成一颗ast的。

读取const，生成一个VariableDeclaration节点
读取a，新建VariableDeclarator节点
读取=
读取1，新建NumericLiteral节点
将NumericLiteral赋值给VariableDeclarator的init属性
将VariableDeclarator赋值给VariableDeclaration的declaration属性

前端编译

随着前端技术和理念的不断进步，涌现了各种新奇的代码以及带来了新的项目组织方式。

但在这些新技术中，有许多代码不能在浏览器中直接执行，比如typescript、jsx等，这种情况下我们的项目就需要通过编译、打包，将其转换为可以直接在浏览器中执行的代码。

以webpack为例，打包工具作用就是基于代码的import、export、require构建依赖树，将其做成一个或多个bundles。它解决的是模块化的问题，但它自带的能力只能支持javascript以及json文件，而平时我们遇到的ts、jsx、vue文件，则需要先经过编译工具的编译。例如如果我们想用webpack对含有ts文件的项目进行打包，进行如下配置。

// webpack.config.js
const path = require('path');

module.exports = {
  // ...
  module: {
    rules: [{ 
      test: /.ts$/,
      use: 'babel-loader',
      options: {
            presets: [
              '@babel/typescript'
            ]
      }
    }],
  },
};

配置的含义则是：当webpack解析到.ts文件时，先使用babel-loader进行转换，再进行打包。

操作ast进行代码编译

编译工具

常见的编译工具有这几种

babel：目前最主流的编译工具，使用javascript编写。
esbuild：使用Go语言开发的打包工具（也包含了编译功能）, 被Vite用于开发环境的编译。
swc：使用rust编写的编译工具。

在对外提供直接操作ast的能力上，babel和swc使用的是访问者模式，插件编写上有较多的共通之处，最大的区别就是语言不同。esbuild没有对外提供直接操作ast的能力，但是可以通过接入其他的编译工具达到操作ast的效果。

编译过程

代码编译的过程分为三步，接（parse）、化（transform）、发（generate）

parse的过程则是上文中提到的，将代码从字符串转化为树状结构的ast。

transform则是对ast节点进行遍历，遍历的过程中对ast进行修改。

generate则是将被修改过的ast，重新生成为代码。

编译插件

一般我们提起babel，就会想到是用来将新标准的js转化为兼容性更高的旧标准js。

如果babel默认的编译效果不能满足我们的需求，那我们要如何插手编译过程，将ast修改成我们想要的ast呢。此时就需要用到babel plugin，也就是babel插件。

就如同上文中的配置

const path = require('path');

module.exports = {
  module: {
    rules: [{ 
      test: /.ts$/,
      use: 'babel-loader',
      options: {
            presets: [
              // presets也就是已经配置好的插件集合,也就是“预设”
              '@babel/preset-typescript'
            ]
      }
    }],
  },
};

除了以上将typescript转换为javscript的插件外，日常中我们还会用到许多其他的插件/预设，例如

@babel/react 转换react文件
react-refresh/babel 热刷新
babel-plugin-react-css-modules css模块化避免样式污染
istanbul 收集代码覆盖率
......

Hello plugin！

babel在将代码转换为ast后，会对ast进行遍历，在遍历时，会应用插件所提供的访问者对相应的ast节点进行访问，以达到修改ast的目的。

我们在编写插件时，首先我们需要知道我们想要访问的ast节点对应的类型是什么。假如我们要对函数类型的ast节点进行修改，先来看看这一段代码经过babel的转换以后会生成什么样的ast。

https://astexplorer.net/

function a() {};
const b = function() {
}
const c = () => {};

ast：（删除部分结构后）

 [
    {
        "type": "FunctionDeclaration",
        "id": {
            "type": "Identifier",

            "name": "a"
        }
    },
    {
        "type": "VariableDeclaration",
        "declarations": [
            {
                "type": "VariableDeclarator",
                "id": {
                    "type": "Identifier",
                    "name": "b"
                },
                "init": {
                    "type": "FunctionExpression",
                }
            }
        ],
        "kind": "const"
    },
    {
        "type": "VariableDeclaration",
        "declarations": [
            {
                "type": "VariableDeclarator",
                "id": {
                    "type": "Identifier",
                    "name": "c"
                },
                "init": {
                    "type": "ArrowFunctionExpression",
                }
            }
        ],
        "kind": "const"
    }
]

新建my-plugin.js，在其中编写如下代码，对外暴露出访问者，babel在遍历到对应节点时会调用相应的访问者。

// my-plugin.js
module.exports = () => ({
    visitor: {
        // 对一种ast节点进行访问
        FunctionDeclaration: {
            enter: enterFunction,
            // 在babel对ast进行深度优先遍历时，
            // 我们有enter和exit两次机会访问同一个ast节点。 
            exit: exitFunction
        },
        // 对多种ast节点进行访问
        "FunctionDeclaration|FunctionExpression|ArrowFunctionExpression": {
            enter: enterFunction
        }
        // 使用“别名”进行访问
        Function: enterFunction
    }
})

function enterFunction() {
    console.log('hello plugin!')
};
function exitFunction() {};

接入插件

// .babelrc
{
    "plugins": [
        './my-plugin.js'
    ]
}

实践

接下来我们来通过编写一个完整的babel插件来看看如何对ast进行修改：打印出函数的执行时间

代码：


async function a() {
    function b() {
        for (let i = 0; i < 10000000; i += Math.random()) {}
    }
    b();
    await new Promise(resolve => {
        setTimeout(resolve, 1000);
    })
}

运行效果：

b cost: 219 // 函数b耗时219毫秒
anonymous cost: 0 // promise中的匿名函数耗时0毫秒
a cost: 1222 // 函数a耗时1222毫秒

实现思路：在函数的第一行，插入一个ast节点，定义一个变量记录刚开始执行函数的时间。在函数的的最后一行，以及return时，打印出当前时间与开始时间的差。

新增&插入节点

除了手写一个ast节点以外我们可以通过两种babel为我们提供的辅助工具生成ast节点

@babel/types

一个工具集，可以用来新建、校验节点等。

在这里我们需要新建一个 var fnName_start_time = Date.now()的ast节点。

import * as t from 'babel-types';

function functionEnter(path, state) {
    const node = path.node;
    const fnName = node.name || node.id?.name || 'anonymous';
    // 新建一个变量声明
    const ast = t.variableDeclarator(
        // 变量名
        t.identifier(`${fnName}_start_time`),
        // Date.now()
        t.callExpression(
            t.memberExpression(
                t.identifier('Date'),
                t.identifier('now')
            ),
            // 参数为空
            []
        )
    );
}

2 . @babel/template

通过模板的方式，可以直接将代码转换成ast，也可以替换掉模版中的节点，方便快捷。

import template from "babel-template";

const varName = `${fnName}_start_time`;
// 直接通过代码生成
const ast = template(`const ${varName} = Date.now()`)();
// 或者
const ast = template('const fnName = Date.now()')({
    fnName: t.identifier(varName)
})

在生成了我们想要的ast节点后，我们可以将其插入到我们现有的节点中。

function functionEnter(path, state) {
    const node = path.node;
    const fnName = node.name || node.id?.name || 'anonymous';
    const varName = `${fnName}_start_time`;
    const start = template(`const ${varName} = Date.now()`)();
    const end = template(
        `console.log('${fnName} cost:', Date.now() - ${varName})`
    )();

    if (!node.body) {
        return;
    }
    // 插入到容器中，函数的第一行添加const fnName_start_time = Date.now()
    path.get('body').unshiftContainer('body', start);
    path.get('body').pushContainer('body', end);
}

module.exports = () => ({
    visitor: {
        Function: enterFunction
    }
})

主动遍历&停止遍历&状态

虽然我们在函数的第一行和最后一行添加了相应的代码，但是还是不能完整的实现我们需要的功能——如果函数在执行最后一行之前进行了return，则不能打印出耗时数据。

找出该函数进行return的ast节点，在return之前，先把函数的耗时打印出来。

function a() {
    if (Math.random() > 0.5) {
        // 需要逮出来的return
        return 'a';
    }
    function b() {
        // 需要跳过的return
        return 'b';
    }
}

通过主动遍历的方法，我们把returnStatement的访问者放到Function的访问者中。

当我们进行主动遍历时，需要跳过子节点中的函数节点的遍历，因为我们的目的只是在遍历函数a节点时，访问其return，而不想去修改子函数节点的return。

function functionEnter(path, state) {
    // 主动遍历
    path.traverse({
        // 访问遍历到子函数，则跳过子函数及其的子节点遍历
        Function(innerPath) {
            innerPath.skip();
        },
        // 访问类型为ReturnStatement的子节点
        ReturnStatement: returnEnter
        // 传递状态
    }, { fnName })
}

function returnEnter(path, state) {
    // 读取状态
    const { fnName } = state;

    // 代码为resutn xxx; 新建 const fnName_result = xxx 的节点
    const resultVar = t.identifier(`${fnName}_result`);
    const returnResult = template(`const RESULT_VAR = RESULT`)({
        RESULT_VAR: resultVar,
        RESULT: path.node.argument || t.identifier('undefined')
    })

    // 插入兄弟节点
    path.insertBefore(returnResult);

    // 修改return xxx为
    // return (console.log('耗时'), fnName_result)
    const varName = `${fnName}_start_time`;
    const end = template(
        `console.log('${fnName} cost:', Date.now() - ${varName})`
    )();
    const ast = t.sequenceExpression([
        end.expression,
        resultVar
    ]);
    path.node.argument = ast;
}

最终效果

// 原代码
function a() {
    function b() {
        for (let i = 0; i < 10000000; i += Math.random()) {}
        function c() {
            for (let i = 0; i < 10000000; i += Math.random()) {}
        }
        return c();
    }
    b();
    for (let i = 0; i < 10000000; i += Math.random()) {}
}

// 经过babel编译的代码
function a() {
  var a_start_time = Date.now();
  function b() {
    var b_start_time = Date.now();
    for (var i = 0; i < 10000000; i += Math.random()) {}
    function c() {
      var c_start_time = Date.now();
      for (var _i = 0; _i < 10000000; _i += Math.random()) {}
      console.log('c cost:', Date.now() - c_start_time);
    }
    var b_result = c();
    return console.log('b cost:', Date.now() - b_start_time), b_result;
    console.log('b cost:', Date.now() - b_start_time);
  }
  b();
  for (var i = 0; i < 10000000; i += Math.random()) {}
  console.log('a cost:', Date.now() - a_start_time);
}
// 运行后控制台打印结果
c cost: 290
b cost: 603
a cost: 895